Астрономи виявили найближчу до Землі чорну діру

Астрономи виявили найближчу до Землі чорну діру , яку дослідники назвали Gaia BH1. Спляча чорна діра важить приблизно в 10 разів більше маси Сонця і розташована на відстані приблизно 1600 світлових років від нас у сузір’ї Змієносця, що робить її втричі ближчою до Землі, ніж попередній рекордсмен — рентгенівська подвійна система в сузір’ї Єдинорога.  Відкриття стало можливим завдяки вишуканим спостереженням за рухом супутника чорної діри, схожої на Сонце зірки, яка обертається навколо чорної діри приблизно на тій же відстані, що й Земля навколо Сонця.

«Візьміть Сонячну систему, помістіть чорну діру там, де знаходиться Сонце, а Сонце — там, де Земля, і ви отримаєте цю систему», — пояснює Карім Ель-Бадрі, астрофізик із Центру астрофізики | Harvard & Smithsonian та Інститут астрономії Макса Планка, а також провідний автор статті, що описує це відкриття. «Хоча було багато заяв про виявлення подібних систем, майже всі ці відкриття згодом були спростовані. Це перше однозначне виявлення зірки, схожої на Сонце, на широкій орбіті навколо чорної діри зіркової маси в нашій галактиці».

Чорні діри — це найбільш екстремальні об’єкти у Всесвіті. Надмасивні версії цих неймовірно щільних об’єктів, ймовірно, знаходяться в центрах усіх великих галактик. Чорні діри зоряної маси, вага яких приблизно в 5-100 разів перевищує масу Сонця, зустрічаються набагато частіше, лише в Чумацькому Шляху їх приблизно 100 мільйонів. Однак на сьогодні підтверджено лише кілька, і майже всі вони «активні», тобто вони яскраво сяють у рентгенівських променях, оскільки споживають матеріал із сусіднього зоряного супутника, на відміну від сплячих чорних дір, які цього не роблять.

Хоча галактикою Чумацький Шлях, ймовірно, блукають мільйони чорних дір зоряної маси, ті небагато, що були виявлені, були виявлені завдяки їх енергетичній взаємодії із зіркою-компаньйоном. Коли матеріал із сусідньої зірки обертається по спіралі до чорної діри, він перегрівається та генерує потужне рентгенівське випромінювання та струмені матеріалу. Якщо чорна діра не живиться активно (тобто вона спляча), вона просто зливається з оточенням.

«Останні чотири роки я шукав сплячі чорні діри, використовуючи широкий спектр наборів даних і методів», — каже Ель-Бадрі. «Мої попередні спроби — як і спроби інших — виявили звіринець подвійних систем, які маскуються під чорні діри, але це перший раз, коли пошуки принесли плоди».

Команда спочатку ідентифікувала систему як потенційну чорну діру, проаналізувавши дані космічного корабля Європейського космічного агентства Gaia. Gaia зафіксувала дрібні нерівності в русі зірки, спричинені силою тяжіння невидимого масивного об’єкта. Щоб дослідити систему більш детально, команда провела 39 спостережень протягом чотирьох місяців, зроблених за допомогою шести різних телескопів по всьому світу.

Перше спостереження було проведено в липні за допомогою телескопа Центру астрофізики з використанням 6,5-метрового телескопа Магеллана Бааде в обсерваторії Лас Кампанас у Чилі. Після того, як це спостереження дозволило припустити, що подвійна система може містити чорну діру, команда подала декілька дискреційних часових пропозицій директора — або критичних за часом запитів на спостереження — для вивчення системи за допомогою інших телескопів, які запропонують ряд переваг, включаючи вищу спектральну роздільну здатність і чутливість до ультрафіолетового та ближнього інфрачервоного випромінювання.

Одним із таких телескопів, до якого команда звернулася, був інструмент Gemini Multi-Object Spectrograph на Gemini North, телескоп на Гаваях, яким керує NOIRLab NSF. Подальші спостереження Gemini допомогли обмежити орбітальний рух і, отже, маси двох компонентів у подвійній системі, що дозволило команді ідентифікувати центральне тіло як чорну діру, приблизно в 10 разів масивнішу за наше Сонце.

«Наші подальші спостереження Gemini поза розумним сумнівом підтвердили, що подвійна система містить нормальну зірку та принаймні одну сплячу чорну діру», — пояснює Ель-Бадрі. «Ми не змогли знайти жодного правдоподібного астрофізичного сценарію, який міг би пояснити спостережувану орбіту системи, яка б не включала принаймні одну чорну діру».

Дані цих спостережень привернули увагу системи та виключили всі моделі, що не стосуються чорної діри.

Сучасні моделі еволюції подвійних систем астрономів важко пояснити, як могла виникнути особлива конфігурація системи Gaia BH1. Зокрема, зірка-попередниця, яка пізніше перетворилася на нещодавно виявлену чорну діру, була б принаймні у 20 разів масивнішою за наше Сонце. Це означає, що він прожив би лише кілька мільйонів років. Якби обидві зірки утворилися одночасно, ця масивна зірка швидко перетворилася б на надгіганта, роздувшись і поглинувши іншу зірку, перш ніж вона встигне стати справжньою зіркою головної послідовності, що спалює водень, як наше Сонце.

Зовсім незрозуміло, як зірка сонячної маси могла пережити цей епізод, залишившись начебто нормальною зіркою, як показують спостереження подвійної системи чорної діри. Теоретичні моделі, які дійсно допускають виживання, передбачають, що зірка з сонячною масою повинна була опинитися на набагато тіснішій орбіті, ніж те, що спостерігається насправді. Це може свідчити про наявність важливих прогалин у розумінні вченими того, як чорні діри утворюються та еволюціонують у подвійних системах, а також свідчить про існування ще невивченої популяції сплячих чорних дір у подвійних системах.

«Цікаво, що ця система нелегко адаптується до стандартних моделей бінарної еволюції», — підсумовує Ель-Бадрі. «Це ставить багато питань про те, як утворилася ця подвійна система, а також про те, скільки цих сплячих чорних дір там».